南水北調泗陽站泵房地基處理設計

李繼生

（上海勘測設計研究院 上海 200434)

1 工程概況

泗陽泵站樞紐位于江蘇省泗陽縣縣城東南約3km處的中運河輸水線上，是南水北調東線多級提水系統的第四梯級。新建泗陽泵站位于拆除的泗陽一站下游引河 340m處，總裝機流量198m3/s，安裝葉輪直徑 3.10m 的立式全調節軸流泵6臺套（含 1臺備機)，單機流量 33m3/s，泵站揚程6.30m；配3000kW/10kV同步電機，總裝機容量 18000kW。泵站為堤身式塊基型結構，肘形進水流道，虹吸式出水流道，真空破壞閥斷流。該工程于2009年12月30日正式開工建設，2012年5月開始試運行，目前已正式投入使用。

2 工程地質條件

勘察揭示，新建泗陽站工程區主要土層地質情況為：

⑥層（高程4.3～9.5m至1.3～7.7m)，重粉質砂壤土、輕粉質壤土，局部夾淤泥質粘土薄層、含云母片，松散～中密，中壓縮性。⑦層（高程1.2～6.8m至-0.5～1.7m)，粘土，粉質粘土，局部為砂質粘土，含鐵錳質結核，偶含砂礓，可塑狀態，中壓縮性。⑧層（高程-0.5～1.7m至-3.3～-0.2m)，重、中粉質壤土夾砂壤土薄層，局部互層，可塑狀態，中壓縮性。⑨層（高程-3.3～-0.2m至-3.9～0.0m)，粉、細砂，局部砂壤土、壤土，含礫石及云母片。⑨'層（高程-3.3～-0.2m 至-3.5～-1.9m)，粉質粘土、重粉質粘土夾細砂，輕粉質壤土薄層，中密狀態，中～低壓縮性。⑩層（高程-3.5～-1.9m至-18.0～-16.4m)，粉質粘土，含鐵錳質結核及少量礫、砂礓，局部砂礓較多，硬塑狀態，中壓縮性。主要土層物理力學性質參數見表1。

3 地基處理設計

3.1 站身穩定計算和地基沉降分析

新建泗陽泵站采用一列式布置。主泵房位于河道中，主泵房北側布置北副廠房，南側布置安裝間和南副廠房。主泵房站身平均分為兩塊，單塊底板尺寸：36000mm（順水流向)×28200mm（垂直水流向)；底板順水流向輪廓為中段水平、兩端上翹的折線形，下游前趾端底面高程為1.65m，上游前趾端底面高程為1.72m，中部水平段底面高程為-0.25m。泵房底板坐落在⑦層粉質粘土上。

站身抗滑穩定按《泵站設計規范》（GB/T50265-2010)第 6.3.4條公式（6.3.4-2)計算。地基允許承載力按漢森公式計算。站身穩定計算成果見表2。對完建期工況和設計（2)工況分別計算了泵房地基最終沉降量，沉降計算結果見表3。

表1 主要土層物理力學性質參數表

表2 站身穩定計算成果表

由表2可以看出，完建期工況地基的平均應力220.0kPa大于地基的允許承載力199.1kPa；地基最大應力276.5kPa也大于1.2倍的地基允許承載力238.9kPa。天然地基承載力不滿足設計要求，需對地基進行處理。

表3 站身地基沉降成果表

由表3可以看出，無論是完建期工況還是設計（2)工況，站身最大沉降量均大于15cm，也需對地基進行處理。

3.2 地基處理方案比選

地基加固的方法有剛性樁基礎、沉井基礎和復合地基等。

復合地基是軟弱地基處理時常用的一種技術，是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強或被置換，或在天然地基中設置加筋材料，加固區是由基體（天然地基土體)和增強體兩部分組成的人工地基，復合地基由增強體和基體共同承擔荷載。復合地基能夠充分利用天然地基的承載力，所以多數是經濟的。常用的復合地基有碎石樁、深層水泥攪拌樁、水泥粉煤灰碎石樁等。碎石樁適用于松散砂土、粉土、粉質粘土、人工填土等地基處理及處理液化地基，一般用于處理地基承載力要求較低的軟弱地基，其不適用于要求地基承載力大于 200kPa的泗陽站工程。深層水泥攪拌樁是軟土地基處理的常用方法，在水利工程中廣泛應用，但其不適用于硬塑及堅硬的粘性土。

本工程站身基礎持力層地基土⑦層土為含鐵錳質的粉質粘土，塑性指數Ip=21.2，地基允許承載力為190kPa，相對較高，下臥層⑨層粉砂，標貫擊數28擊，允許承載力為200kPa，承載力較高，下臥層⑩粉質粘土，塑性指數 Ip=21.7，允許承載力為300kPa，承載力較高。因此，上述土層具有粘粒含量較高和土質較硬的特點，不宜采用深層水泥攪拌樁處理地基。所以本工程不宜考慮深層水泥攪拌樁地基處理方案。

水泥粉煤灰碎石樁，簡稱 CFG樁，是近年來發展起來的處理軟弱地基的一種新方法。CFG樁是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和，用各種成樁機械在地基中制成的強度等級為C5～C25的低強度混凝土樁，可充分利用樁間土的承載力，共同作用，并可傳遞荷載到深層地基中去，具有較好的技術性能和經濟效果。CFG樁適用于處理粘性土、粉土、砂土和已自重固結的素填土等地基。樁距應根據設計要求的復合地基承載力、土性、施工工藝等確定，宜取 3～5倍樁徑。樁頂和基礎之間應設置褥墊層，褥墊層厚度宜取150～300mm；褥墊層材料宜用中砂、粗砂、級配砂石或碎石等，最大粒徑不宜大于30mm。

泗陽站工程擬定兩個地基處理方案進行了經濟比較，分別是 CFG樁和灌注樁方案，根據本工程地質條件，經過計算，CFG樁斷面直徑擬采用0.4m，樁長12.0m～13.5m，樁底高程-12.25m，樁中心間距1.6m×1.6m。復合地基的承載力標準值 fspk=363.2kPa，沉降量約為 14.0cm，處理后的地基滿足規范要求。該方案投資約為64.38萬元。灌注樁方案，采用斷面直徑為 0.6m，樁長18m～20.25m，樁底高程-16.00m，經計算，單樁承載力標準值Ra=1655kN，泵房底板需布設灌注樁 219根，樁中心間距為 3m×3m。沉降量約為3.6cm。該方案投資約為351.06萬元。

3.3 褥墊層設計

為了使樁體和樁間土共同承擔站身傳給底板的荷載，應在樁頂與泵房底板之間設置褥墊層。褥墊層的受力機理是在泵房底板范圍內的墊層受到不均勻壓應力的作用，樁頂部分應力較大，樁間土部分應力較小，隨著荷載增加，首先是在樁頂范圍內的墊層可能出現塑性區，繼而樁與樁間土間產生較大位移，樁體刺入到墊層中，樁頂的墊層向樁間土轉移，樁間土被擠密而提高承載力，將樁上部分荷載向樁間土轉移。如果褥墊層太“軟”，雖有樁刺入，但荷載轉移的效果不明顯，樁間土發揮作用不好，如果墊層太“硬”，使樁體無法刺入，則也不能轉移荷載，當褥墊層厚度較小時，樁頂向褥墊層刺入量小，這樣造成樁體分擔了絕大部分荷載，樁土應力比大，樁間土承載力不能充分發揮，同時滑動區域范圍小，合理樁間距較小，為滿足地基承載力及減少沉降的要求，勢必導致樁數或樁長增加，復合地基的優越性不能體現出來。當褥墊層厚度大，超過破壞面深度時，樁體上刺入量大，樁間土沉降量大，承擔了較多的荷載，樁土應力比偏小，會導致樁承擔的荷載很小，復合地基中樁的承載力沒有充分發揮出來，復合地基承載力不會有較大的提高，反而還會增加建筑物的沉降變形，這樣設計的復合地基既不經濟，還滿足不了地基承載力及沉降要求。

根據樁頂刺入褥墊層的條件，若要提高褥墊層的承載力和減小沉降變形方面來看，褥墊層材料宜選用粒徑較大的碎石，但從有利于樁頂刺入褥墊層材料調整流動這方面來看，褥墊層宜選用中細砂。綜合以上兩方面的因素，結合大量的工程實踐，褥墊層的材料宜采用中砂、粗砂、級配碎石。但是散粒材料具有強透水性，對泵站的防滲不利，設計大膽創新，在泗陽站首次采用抗滲性較好粘性土作為 CFG樁褥墊層，初擬樁間部分利用原狀土（⑦層土)，樁頂回填部分采用⑥層土（或⑥、⑦層混合料)或在樁頂回填拌制均勻的水泥摻入量為 8%的水泥土，人工夯實后與天然地基土面齊平。褥墊層厚度初擬10cm～20cm。

經實驗研究用不同褥墊層材料及厚度做試驗對比，取得了較好的成果，結論是采用水泥土作為樁頂褥墊層是合理可行的，并且明顯提高復合地基極限承載力，樁土分配比例更趨于合理。最后，褥墊層采用樁間部分利用原狀土（⑦層土)和在樁頂回填拌制均勻的水泥摻入量為 8%的水泥土，褥墊層厚度采用100mm。

3.4 地基處理設計

根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ79－2012)的規定，經計算，采用斷面直徑0.4m，樁長 12m～13.5m，樁中心間距 1.6m×1.6m，布設樁864根，樁身強度為C15，CFG樁樁身材料配合比見表 4，復合地基的承載力標準值fspk=363.2kPa。處理后的地基承載力大于最不利工況地基最大應力276.5kPa，沉降量約為14.0cm，因此，處理后的地基滿足規范要求。

表4 CFG樁樁身材料配合比表

4 結論

（1)泗陽站工程設計中根據地質條件，合理采用 CFG樁復合地基方案加固地基，其充分利用了較好的天然地基承載力，為工程建設節省投資。

（2)泗陽站工程成功采用抗滲性較好的粘性土作為 CFG樁褥墊層，即樁頂采用水泥土、樁與樁之間保留原狀土（⑦層粘性土)的復合褥墊層。在擋水水工建筑物地基加固處理時，利用這種抗滲性較好的復合褥墊層替代傳統的砂石料褥墊層，既可以滿足地基防滲要求，又可以發揮復合地基承載作用。